階梯漸近MCGS溫控程序在顯微熔點儀中的應用

張 輝， 何子逸， 尹 釗， 顏海成

（北京科技大學能源與環(huán)境工程學院，北京100083）

0 引 言

顯微熔點儀［1］是高溫環(huán)境觀察物質(zhì)熔化過程的重要工具，在藥物純度分析［2］、物質(zhì)熔點測定［3］等方面應用廣泛。目前，熔點儀大多通過手動調(diào)節(jié)旋鈕控制加熱盤輸出功率，受人為因素影響顯著，測試結(jié)果重復性較差；溫度控制儀表僅有簡單的溫控功能，比例、積分、微分（Proportional Integral Derivative，PID）參數(shù)［4］固定，加熱溫度、加熱功率、散熱條件［5］發(fā)生改變時，溫控曲線振蕩幅度難以控制，常常導致溫度超過物質(zhì)熔化區(qū)間段，觀測時間周期短；操作者觀察物質(zhì)熔化過程、記錄溫度數(shù)據(jù)同時進行，操作繁雜，影響觀測精度。利用嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)（Monitor and Control Generated System，MCGS）觸摸終端可以將人工操作與儀表溫度控制功能分離，兩者獨立進行模塊化設計，通過串口Modbus-RTU通信［6］完成數(shù)據(jù)交換。操作者可以專注觀察物質(zhì)狀態(tài)的改變和觸發(fā)數(shù)據(jù)記錄按鈕，觸摸終端實時記錄并保存中間數(shù)據(jù)。

1 顯微熔點儀控制系統(tǒng)

顯微熔點儀控制系統(tǒng)如圖1所示，包括MST103AS1-PWM-NNN溫控儀表、S-250-36直流電源、SSR-10DD固態(tài)繼電器、Pt100溫度傳感器和加熱盤。

圖1 顯微熔點儀控制系統(tǒng)圖

常規(guī)溫控儀表僅具有溫度控制功能，為實現(xiàn)鍵控特性，專門研發(fā)了該型儀表，對芯片的通用輸入、輸出（General Purpose Input/Output，GPIO）引腳重新進行了定義，如圖1中5、6引腳，當按鈕按下再彈起時，5、6之間產(chǎn)生脈沖信號，此時對應的時間與溫度會記錄在芯片輸入寄存器（第3區(qū)寄存器）中，實驗完畢后由程序讀出。3、4引腳為RS-485串行通信接口［7］，分別與觸摸屏COM2串口的7、8引腳相連。數(shù)據(jù)通信采用半雙工方式，即當觸摸屏向儀表發(fā)送數(shù)據(jù)時，儀表只能等待接收；儀表向觸摸屏發(fā)送數(shù)據(jù)時，觸摸屏只能接收，兩者不能同時進行發(fā)送與接收數(shù)據(jù)操作。

加熱盤內(nèi)部發(fā)熱元件電阻為10Ω，最大電流為4 A，功率可達130 W。測溫傳感器精度可達0.1℃，Pt100為電阻式傳感器，連接線的粗細與長短會影響測量值的準確度。儀表內(nèi)部利用開爾文雙臂電橋接法，減小接觸電阻，連接方式為三線制，如圖1所示，將11、12端子短接后連到Pt100的一端，端子10連接至另一端。內(nèi)部0x00保持寄存器（第4區(qū)寄存器）的值選擇Pt1b，與外部傳感器類型相匹配。

儀表輸出通過固態(tài)繼電器控制加熱盤電流的有無，當7、8引腳電壓低于3 V時，固態(tài)繼電器的1、2端子斷開，切斷電流，加熱盤停止供電；反之，當兩引腳電壓介于3～32 V時，固態(tài)繼電器的1、2端子閉合，導通電流，加熱盤開始工作。由于固態(tài)繼電器的開關(guān)時間很短，如同脈沖一樣，可以將供電電流分為很小的份數(shù)，用于溫度的精細調(diào)節(jié)。0x14保持寄存器對應的控制周期參數(shù)Ct選擇1，表示最小開關(guān)周期為1 s。0x15輸出類型OP參數(shù)選擇SSr，對應固態(tài)繼電器。為提高控溫精度，可將0x12回差Hy參數(shù)設為0.2℃，溫度達到設定值后，其波動范圍不會超過設定值的±0.2℃。

2 莫迪康指令解析

MCGS采用Modicon串口驅(qū)動構(gòu)件［8］與支持Modbus-RTU標準協(xié)議的各類PLC［9］、儀表［10］和控制器［11］進行通信，通過不同的功能碼訪問儀表內(nèi)部不同區(qū)域的寄存器。MST103A-S1-PWM-NNN溫控儀表主要包括輸入、輸出兩種類型寄存器，如圖2所示。儀表的功能參數(shù)全部存儲在輸出寄存器中，中間測試的數(shù)據(jù)結(jié)果存儲在輸入寄存器中。在Modicon驅(qū)動中，輸出寄存器為第4區(qū)寄存器，輸入寄存器為第3區(qū)寄存器。

以MCGS腳本命令為例說明訪問輸出寄存器0x13地址數(shù)據(jù)的指令編寫過程，腳本語句為：

“設備0”對應觸摸屏COM2串口下地址為XX的儀表，與儀表參數(shù)0x1D輸出寄存器的內(nèi)容保持一致，此處XX設定為01。同一個串口可以連接多臺儀表，但每臺儀表的地址不能相同，以免通信時發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞。當?shù)刂凡煌瑫r，在MCGS程序中命名為“設備1”“設備2”…“設備n”加以區(qū)分。

“6”表示執(zhí)行后續(xù)在雙引號中的read指令。

“Read（4，20，WUB＝Ctrl_19）”指令中4表示訪問第4區(qū)寄存器，即存儲參數(shù)的寄存器；圖2中“Ctrl”參數(shù)存儲在輸出寄存器的0x13（十進制為19）地址處，由于寄存器在儀表中以00為起始地址，所以該參數(shù)對應從1開始的序號為20；WUB表示寄存器數(shù)據(jù)的類型，即Word Unsigned Byte，占用2個字節(jié)，為無符號整形數(shù)據(jù)，對應MCGS中的開關(guān)型數(shù)據(jù)；Ctrl_19為MCGS環(huán)境定義的變量名稱。整條指令表示將儀表第4區(qū)第20個寄存器的數(shù)據(jù)以無符號整形格式取出，然后放于開關(guān)型變量Ctrl_19中。

圖2 莫迪康指令解析圖

同理，輸入寄存器為第3區(qū)寄存器，操作者通過按

鈕記錄的時間與溫度值存儲在輸入寄存器中。

！SetDevice（設備0，6，＂Read（3，1，WUB＝Read_PV_00）＂）表示將第3區(qū)第1個寄存器的值以無符號整形格式取出，放于開關(guān)型變量Read_PV_00中。

3 MCGS程序

MCGS組態(tài)軟件［12］是嵌入式觸摸屏自身具有的一種組態(tài)操作系統(tǒng)［13］，可以運行在PC機或筆記本電腦中。其優(yōu)勢在于能夠快速與智能儀表建立通信，將儀表寄存器內(nèi)容與組態(tài)軟件定義的變量進行關(guān)聯(lián)。溫控儀表主要通過PID參數(shù)對加熱盤溫度進行調(diào)節(jié)，用戶需要通過界面調(diào)整各個參數(shù)的值。

3.1 儀表參數(shù)設置人機交互程序

儀表參數(shù)很多，僅將必要參數(shù)列出，如圖3所示，以控制方式CtrL為例，該參數(shù)的值存儲在輸出寄存器0x13地址處，可以取0、1、2或3，對應的顯示值分別為onoF、Pid、tunE、MAnu，用戶看到的是顯示值，而在寄存器中存儲的是數(shù)字值。為在數(shù)字值與顯示值之間轉(zhuǎn)換，設計了“20_儀表參數(shù)”用戶窗口，作為人機交互界面。當前值下方的虛線框表示輸入框，點擊該輸入框時，程序會執(zhí)行Click事件連接腳本，將Input_Ctrl變量置1，F(xiàn)lag_19變量置1。“onoF”、“Pid”、“tunE”、“MAnu”、“確定”5個按鈕的可見度屬性為Input_Ctrl＝1，說明當Input_Ctrl變量為1時這5個按鈕就會顯示出來。用戶一旦點擊了輸入框，這5個按鈕會顯示在界面上，供用戶選擇，如果按下了“onoF”按鈕，運行腳本：

圖3 溫控儀表參數(shù)設置人機交互程序框圖

Flag_19是參數(shù)序號跟蹤變量，用于識別不同的參數(shù)，當用戶點擊輸入框時，此值賦1，用該變量記下用戶選擇的參數(shù)，此處定義的字符型變量Ctrl_Str_19被賦給“onoF”字符值，而輸入框與字符型變量Ctrl_Str_19相關(guān)聯(lián)，所以在輸入框中會顯示“onoF”。同理，點擊其他3個參數(shù)值按鈕時，輸入框會顯示對應的參數(shù)顯示值。當點擊“確定”按鈕時，Input_Ctrl變量賦0，5個按鈕隱藏，同時，F(xiàn)lag_19變量賦0，不再跟蹤參數(shù)序號。

當用戶點擊“讀儀表值”按鈕時，發(fā)送如下通信指令：

將儀表的Ctrl參數(shù)讀入開關(guān)型變量Ctrl_19中，根據(jù)該變量的數(shù)字值對字符型變量Ctrl_Str_19賦值，與參數(shù)顯示值一一對應。輸入框與字符型變量Ctrl_Str_19相關(guān)聯(lián)，點擊完“讀儀表值”按鈕后，輸入框內(nèi)顯示的是儀表參數(shù)對應的顯示值。這個過程實現(xiàn)了參數(shù)數(shù)字值向顯示值的轉(zhuǎn)換。

當點擊“W_Ctrl”按鈕時，將輸入框中用戶選擇的字符轉(zhuǎn)化為數(shù)字。例如：

首先判斷與輸入框關(guān)聯(lián)的字符型變量Ctrl_Str_19的內(nèi)容是不是“onoF”，如果是，則將對應的開關(guān)型變量Ctrl_19賦為數(shù)字值0；同理，如果用戶選擇了不同的字符型參數(shù)值，點擊按鈕后都要轉(zhuǎn)化為相應的數(shù)字值。最后，通過！SetDevice（設備0，6，＂Write（4，20，WUB＝Ctrl_19）＂）通信腳本指令將開關(guān)型變量Ctrl_19存儲的數(shù)字值寫入儀表第4區(qū)地址為20的寄存器中，完成參數(shù)的修改過程。

3.2 實驗參數(shù)設置

圖4 為實驗參數(shù)設置程序圖。

圖4 實驗參數(shù)設置程序圖

在主程序窗口中，通過“儀表參數(shù)”“實驗參數(shù)”和“數(shù)據(jù)結(jié)果”3個按鈕分別調(diào)用相應的子窗口，例如，點擊“實驗參數(shù)”按鈕，執(zhí)行腳本指令：

表示在主窗口的（20，20）位置顯示寬為256，高為232像素的“21_實驗參數(shù)”子窗口。子窗口形象地繪制了加熱盤的升溫過程，采用2個控溫平臺，第1個稱為預熱溫度，其設定值低于物質(zhì)熔點2～3℃；第2個稱為目標溫度，其設定值高于物質(zhì)熔點3～5℃，保證物質(zhì)熔化的過熱度；中間過渡直線對應升溫斜率，斜率越小，觀測溫度與實際溫度越接近，滯后效應越小，得到的溫度越準確。傳統(tǒng)熔點儀［14］需要用戶反復切換溫控面板的控制鍵設定參數(shù)值，專業(yè)性強，操作時間長，不利于一般用戶的使用。MCGS人機交互界面配有面板輸入鍵盤［15］，簡單快捷，僅需觸摸即可更改。例如，要更改預熱溫度參數(shù)，只需點擊上方的輸入框，會彈出面板鍵盤，輸入要設定的數(shù)值，該數(shù)值保存在與輸入框相關(guān)聯(lián)的數(shù)值型變量Rdy_Value_37中，再點擊“確定”按鈕，Rdy_Value_37數(shù)值型變量乘以10轉(zhuǎn)化為儀表參數(shù)存儲的值，由于儀表參數(shù)對應開關(guān)型變量，再將Num_Temp進行類型轉(zhuǎn)化，賦值給開關(guān)型變量Rdy_37，通過！SetDevice（設備0，6，＂Write（4，38，WUB＝Rdy_37）＂）將Rdy_37的內(nèi)容寫入第4區(qū)地址為38的輸出寄存器中，完成預熱溫度參數(shù)的修改。同理，升溫斜率、目標溫度都可以通過這種方式來完成。

“21_實驗參數(shù)”子窗口在顯示時，會執(zhí)行啟動腳本，啟動腳本的內(nèi)容是分別讀取預熱溫度、升溫斜率和目標溫度的值。例如，！SetDevice（設備0，6，＂Read（4，32，

WUB＝Set_31）＂）通信指令將第4區(qū)地址為32的輸出寄存器的值讀入開關(guān)型變量SET_31中，再除以10得到小數(shù)值，賦給數(shù)值型變量SET_Value_31，該變量與目標溫度上方的輸入框相關(guān)聯(lián)，只要“21_實驗參數(shù)”子窗口一啟動，腳本即刻執(zhí)行，完成儀表寄存器數(shù)據(jù)的讀取操作。

3.3 數(shù)據(jù)結(jié)果讀取

在主程序窗口點擊“數(shù)據(jù)結(jié)果”按鈕，執(zhí)行腳本程序“！OpenSubWnd（22_數(shù)據(jù)結(jié)果，60，60，356，282，0）”，彈出“22_數(shù)據(jù)結(jié)果”子窗口，該窗口以表格形式顯示用戶觀察物質(zhì)熔化過程中通過按鈕記錄的中間時間及其對應溫度，每個格子與相應的字符型變量關(guān)聯(lián)。例如，第1行第2列與Read_Time_First_Str_02字符型變量關(guān)聯(lián)，由于這些中間數(shù)據(jù)存儲在輸入寄存器，該類寄存器僅支持讀取操作，不能進行寫入，因此，在MCGS上層界面中可以直接定義字符型變量與之關(guān)聯(lián)。子窗口顯示時運行啟動腳本，如圖5所示。

圖5 實驗數(shù)據(jù)采集程序圖

從第3區(qū)第3個寄存器開始，依次讀取到第12個寄存器，并將讀取到的值放入對應的開關(guān)型數(shù)據(jù)Read_Time_First_02、Read_Time_Secibd_03和Read_Time_Third_04等變量中。采用！StrFormat函數(shù)將開關(guān)型變量按指定格式格式化為字符串，再賦給相應字符型變量，完成通信后的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能。用戶一旦完成實驗測試，點擊“數(shù)據(jù)結(jié)果”按鈕便可查詢實驗測得的值。

4 實驗測試

溫度控制過程中，儀表的控溫精度與加熱電流、溫度傳感器和環(huán)境溫度等因素有關(guān)，相同條件下，控溫PID參數(shù)可以進行優(yōu)化。例如，當目標溫度為200℃時，通過自整定可以計算出此條件下對應的參數(shù)值，如果目標溫度改變?yōu)?00℃，需要重新自整定。顯微熔點儀一般用于精準測定已知物質(zhì)的熔點，其溫度范圍通常已知，此時可按熔點為基準進行自整定。MST103A-S1-PWM-NNN型儀表的控溫精度由比例參數(shù)TP、積分時間TI和微分時間TD3個參數(shù)決定，如圖6所示。

圖6 自整定過程溫度曲線圖

該圖是儀表目標溫度為170℃時自整定過程溫度變化曲線，點A前面的振蕩區(qū)間為升溫和降溫試探過程，升溫段用于計算加熱功率對目標溫度的貢獻，降溫段用于考察環(huán)境溫度對目標溫度的貢獻。

曲線經(jīng)過一個周期振蕩后開始進行參數(shù)計算過程，到達A點后，記錄峰值對應時間，當曲線降至C點時，記錄谷值對應時間，峰值與谷值對應時間差為積分時間TI，相當于振蕩周期的一半，此處為38 s；當曲線從A點下降經(jīng)過設定溫度時，記錄溫度值為設定值170℃對應的時間，即B點，曲線經(jīng)過波谷C點后再次上升到設定值D點，2個時間差的1/8為微分時間TD，BD時間差為73 s，再除以8取整為9 s，即微分時間TD為8 s；從C點開始到達D點，其升溫斜率［16］的倒數(shù)為比例帶Pb，即每升高1℃所用的時間，此處計算為12.3 s/℃。這樣，經(jīng)過上述計算過程，獲得完整的PID參數(shù)，將其寫入輸出寄存器對應的0x17（It）、0x18（Dt）和0x16（Pb）地址中，用于后續(xù)儀表對用戶設定預熱溫度的控制。

圖7 是測定熔點為164.5～166.5℃磺胺時的升溫曲線圖，預熱溫度為161℃，升溫斜率為0.5℃/min，目標溫度為167℃。

圖7 熔點測試過程升溫曲線圖

由圖7可見，當升溫曲線到達預熱溫度161℃時，會上沖1.1℃，到達A點，但仍然低于磺胺的熔點范圍，不影響操作者觀察物質(zhì)熔化過程。曲線下降至最低溫度B點（160.8℃）后開始按0.5℃/min速率升溫，在這個過程中，操作者可以專心關(guān)注物質(zhì)的熔化過程，當認為物質(zhì)熔化時，可以點按手中的按鈕，此時對應的時間和溫度會存入輸入寄存器相應的地址，每點按一次，便有一組數(shù)據(jù)依次存入，直至磺胺完全熔化。當曲線升至167℃時，停在該溫度不再繼續(xù)升溫，等待用戶下一步指令，保證了測定過程的安全。可見，升溫曲線保持了較好的線性關(guān)系，從161℃升至167℃時耗時693 s，計算得到平均升溫速率為0.521℃/min，與設定值0.5℃/min非常接近。

5 結(jié) 語

利用具有可視化操作界面的MCGS組態(tài)軟件與具有RS-485串口通信功能的溫控儀表，開發(fā)了一套控溫與觀察相對獨立的顯微熔點儀控制系統(tǒng)。主要特點如下。

（1）建立與智能儀表通信的人機交互界面系統(tǒng)，操作者可以讀取和修改儀表不同區(qū)域地址處的寄存器內(nèi)容，對于不同參數(shù)通過識別序號甄別，通過按鈕選擇不同參數(shù)值，操作更加便捷；

（2）通過設置中間預熱平臺，將溫度過沖限制在較小范圍內(nèi)，保證后續(xù)固定的升溫速率，溫度曲線以階梯漸近式接近目標溫度，為操作者準確觀察物質(zhì)熔化過程和測定熔化溫度提供了穩(wěn)定重復的升溫曲線，省略了人工調(diào)整旋鈕的步驟。

后續(xù)將結(jié)合適于不同目標溫度的PID參數(shù)開發(fā)智能型高精度控制算法。